CN109904613B

CN109904613B - 一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线

Info

Publication number: CN109904613B
Application number: CN201910122093.8A
Authority: CN
Inventors: 李亚鹏; 赵志鹏; 唐朝阳; 尹应增
Original assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Current assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: CN109904613A

Abstract

本发明公开了一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，包括上下层介质基板及连接上下层介质基板的四个金属柱，上层介质基板1上设金属辐射贴片，下层介质基板上表面设金属地板25，下表面印刷有金属馈线；通过在金属辐射贴片上开槽并在金属馈线上引入阶梯阻抗式开路枝节获得增益的双频滤波特性。本发明结构简单，容易加工，在辐射频带内具有较宽的谐振带宽，较好的双频滤波响应，并具有稳定的增益与方向图，较低的交叉极化和较高的端口隔离度，易与差分电路集成等优点。可用于5G Sub 6GHz基站通信系统，特别适用于3.3GHz‑3.6GHz和4.8GHz‑5.0GHz两个频带的±45°双极化基站天线系统。

Description

一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线

技术领域

本发明涉及一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，该天线工作在3.23GHz-3.67GHz和4.76GHz-5.13GHz，可用于5G基站系统中。

背景技术

基站天线作为无线通信系统的接收和发射最前端，其性能指标直接关系着无线通信质量的高低，随着无线通信系统对其天线的要求越来越高，天线的设计趋势向小型化、阵列化、低剖面，多频化/宽带化方向发展，并且稳定的增益和方向图特性，高度的带外抑制特性，优良的隔离度也作为天线性能好坏的重要指标。而一般的双极化天线在工作带宽外的带外抑制特性较差，并且多频天线的增益与方向图的稳定性也较差，两组极化的端口隔离度较低。

发明内容

为解决上述问题，提出一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，该天线通过在辐射体上开槽并在馈线上引入阶梯阻抗式开路枝节的方法获得了增益的双频滤波特性，能够在覆盖5G通信的3.3GHz-3.6GHz和4.8GHz-5.0GHz两个频带的同时获得较好的驻波，增益与方向图特性，因此可以应用于5G Sub 6GHz基站系统中。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，包括上层介质基板和下层介质基板，以及连接上层介质基板和下层介质基板的四个金属柱，所述上层介质基板上设有金属辐射贴片，所述下层介质基板上表面设有金属地板，所述下层介质基板下表面印刷有金属馈线；通过在所述金属辐射贴片上开槽和在金属馈线上引入阶梯阻抗式开路枝节从而获得增益的双频滤波特性。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述金属辐射贴片设置于上层介质基板的上表面。

进一步，所述金属辐射贴片四周刻蚀有矩形槽，在金属辐射贴片中心刻蚀有十字形上层金属贴片开槽，在对应上层金属贴片开槽中分别印刷有四个在上层介质基板上表面的金属贴片。

进一步，所述下层介质基板上表面印刷有金属地板，在金属地板上刻蚀有四个与下层介质基板对应孔连通的圆形孔隙。

进一步，所述下层介质基板下表面印刷有金属馈线；所述金属馈线带有阶梯阻抗式开路枝节，该阶梯阻抗式开路枝节分别与金属微带馈线垂直且呈对称分布，并在延伸段向两对称边弯折，在同一矩形边的弯折段相互平行分布。

进一步，印刷于下层介质基板的下表面的金属馈线，其末端可连接同轴电缆或SMA转接头进行馈电。

进一步，所述金属柱上端通过上层介质基板分别与金属贴片相连，其下端通过金属地板上的地板蚀刻圆形孔隙分别与金属馈线前端相连。

进一步，所述金属贴片为铝板或铜板。

本发明的差分双频双极化滤波天线有源驻波小于1.5的阻抗带宽在3.23-3.67GHz为12.8％，在4.76-5.13GHz为7.5％；天线在低频段增益为8.95±0.39dBi，在高频段增益为9.97±0.33dBi。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1.采用了对称边缘开槽的方形贴片与阶梯阻抗式开路枝节，在工作频带外产生了三个辐射零点，形成了较好的滤波效果，可以很好地解决多天线系统中的电磁干扰问题。

2.阶梯阻抗式开路枝节除产生辐射零点之外，对两个频带的阻抗匹配亦有明显改善，拓宽了双频天线的工作带宽，满足了5G基站应用中对工作频带(3.3GHz-3.6GHz和4.8GHz-5.0GHz)的要求。

3.由于本发明中的天线采用了差分馈电形式，获得了高于41dB的端口隔离度，并方便与差分电路进行集成化设计。

4.本发明中的天线具有结构简单容易加工，低剖面，体积小，重量轻，低成本等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明天线的立体视图；

图2是本发明的剖面侧视图；

图3是本发明的顶层俯视图；

图4是本发明的底层仰视图；

图5是本发明的下层介质板上表面俯视图；

图6是本发明天线的有源驻波曲线图；

图7是本发明天线的增益曲线图；

图8是本发明天线的端口隔离度仿真图；

图9是本发明工作在3.5GHz时的辐射方向图；

图10是本发明工作在4.9GHz时的辐射方向图；

图11是本发明天线的效率图。

图中：1、上层介质基板；2、金属辐射贴片；3、4、5和6、金属贴片；7、8、9和10、矩形槽；11、12、13、14、金属柱；15、16、17、18、金属馈线；19、20、21、22、地板蚀刻圆形孔隙；23、上层金属贴片开槽；24、下层介质基板；25、金属地板。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1、2所示，本发明应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，包括上层介质基板1和下层介质基板24，以及连接上层介质基板1和下层介质基板24的四个金属柱11、12、13、14，所述上层介质基板1上设有金属辐射贴片2，所述下层介质基板24上表面设有金属地板25，在下层介质基板24下表面印刷有金属馈线15、16、17、18；通过在金属辐射贴片2上开槽并在金属馈线上引入阶梯阻抗式开路枝节从而获得增益的双频滤波特性。

其中，如图3所示，矩形的金属辐射贴片2设置于上层介质基板1的上表面，金属辐射贴片2四周刻蚀有矩形槽7、8、9、10，在金属辐射贴片2中心刻蚀有十字形上层金属贴片开槽23，在对应上层金属贴片开槽23中分别印刷四个金属贴片3、4、5、6，四个金属贴片3、4、5、6在上层介质基板1上表面。

如图4、图5所示，下层介质基板24上表面印刷有金属地板25，在金属地板25上刻蚀有四个圆形孔隙19、20、21、22，下层介质基板24在与四个圆形孔隙19、20、21、22对应的位置打通孔；在下层介质基板24下表面印刷有金属馈线15、16、17、18。金属馈线15、16、17、18为阶梯阻抗式开路枝节，阶梯阻抗式开路枝节为分别与金属微带馈线垂直且呈对称分布，并在延伸段向两对称边弯折，在同一矩形边的弯折段相互平行分布。印刷于下层介质基板24的下表面的金属馈线15、18、17、16，其末端可连接同轴电缆或SMA转接头进行馈电。

其中，金属柱11、12、13、14上端通过上层介质基板1分别与金属贴片5、6、3、4相连，其下端通过金属地板25上的地板蚀刻圆形孔隙19、22、21、20分别与金属贴片15、18、17、16前端相连。作为优选，金属贴片为铝板或铜板。

下面给出一种实施例。金属地板长为55mm,宽为55mm，上、下层介质基板间空气间隙高度为10mm。上层介质基板1的介电常数为2.65，上层介质基板的长度为55毫米，宽度为55毫米，厚度为0.5毫米。方形的金属辐射贴片2的边长为27.2mm。矩形槽宽度为1.0mm，长为25mm，与方形的金属辐射贴片边缘相距0.1mm。金属贴片3、4、5、6长为4.6mm，宽为2.3mm，与金属贴片缝隙间隔均为0.6mm。下层介质基板24的介电常数为2.65，下层介质基板的长度为55毫米，宽度为55毫米，厚度为0.8毫米，其上表面为金属地板，中间四个孔隙半径为1mm。阶梯阻抗式开路枝节尺寸分别为：低阻抗线宽度1.1mm，长度13mm，高阻抗线宽度0.2mm，每边长度均为21.5mm。与之相连的50欧姆微带馈线宽度为2.14mm。

尺寸如上所述，最后将SMA接头的外皮焊接到金属接地板上，内芯焊接到金属馈线上，中心对称的两个端口馈入差分信号。完成本发明的应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线。

本发明可通过以下仿真进一步说明：

1、仿真内容

利用仿真软件对上述实施例应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线的驻波曲线、增益曲线、端口隔离度、远场辐射方向图与辐射效率进行仿真计算。

2、仿真结果

图6为本发明天线的驻波曲线图。可以看出，本发明天线有源电压驻波比小于1.5的带宽的阻抗带宽在3.23-3.67GHz为12.8％，在4.76-5.13GHz为7.5％，可以覆盖较宽的5GSub 6GHz通信频段。

图7为本天线的增益变化曲线。可以看出，本发明天线在低频段增益为8.95±0.39dBi，在高频段增益为9.97±0.33dBi，在两个频段内都实现了较为稳定的增益。此外，在两个频带外增益衰落较为明显，形成了很好的滤波效果。

图8为天线在工作频段内的端口隔离度。可以看出，本发明天线在两个频带内隔离度达到41dB以上，较好地满足了基站天线系统的端口隔离需求。

图9和图10分别为本天线在频率为3.5GHz和4.9GHz时天线的方向图。由于馈电端口是对角差分馈电，因此本发明中的天线极化形式为±45°双极化，在实际应用中需要测试的是其水平和垂直极化分量。从图中可以看出，本天线在工作频段内具有较为稳定的方向图，较低的交叉极化和较高的前后比。

图11为天线的辐射效率图。可以看出，在两个工作频带内，天线辐射效率不低于95％。在两个工作频带外，本天线的辐射效率均低于15％，获得了很好的带外抑制效果。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，其特征在于，包括上层介质基板(1)和下层介质基板(24)，以及连接上层介质基板(1)和下层介质基板(24)的四个金属柱(11、12、13、14)，所述上层介质基板(1)上设有金属辐射贴片(2)，所述下层介质基板(24)上表面设有金属地板(25)，所述下层介质基板(24)下表面印刷有金属馈线(15、16、17、18)；通过在所述金属辐射贴片(2)上开槽并在金属馈线上引入阶梯阻抗式开路枝节从而获得增益的双频滤波特性；

所述金属辐射贴片(2)四周刻蚀有矩形槽(7、8、9、10)，在金属辐射贴片(2)中心刻蚀有十字形上层金属贴片开槽(23)，在对应上层金属贴片开槽(23)中分别印刷有四个在上层介质基板(1)上表面的金属贴片(3、4、5、6)。

2.根据权利要求1所述的一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，其特征在于，所述金属辐射贴片(2)设置于上层介质基板(1)的上表面。

3.根据权利要求1所述的一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，其特征在于，所述下层介质基板(24)上表面印刷有金属地板(25)，在金属地板(25)上刻蚀有四个与下层介质基板(24)对应孔连通的圆形孔隙(19、20、21、22)。

4.根据权利要求3所述的一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，其特征在于，所述下层介质基板(24)下表面印刷有金属馈线(15、16、17、18)；所述金属馈线(15、16、17、18)带有阶梯阻抗式开路枝节，该阶梯阻抗式开路枝节分别与金属微带馈线垂直且呈对称分布，并在延伸段向两对称边弯折，在同一矩形边的弯折段相互平行分布。

5.根据权利要求4所述的一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，其特征在于，印刷于下层介质基板(24)的下表面的金属微带馈线(15、18、17、16)，其末端可连接同轴电缆或SMA转接头进行馈电。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，其特征在于，所述金属柱(11、12、13、14)上端通过上层介质基板(1)分别与金属贴片(5、6、3、4)相连，其下端通过金属地板(25)上的地板蚀刻圆形孔隙(19、22、21、20)分别与金属馈线(15、18、17、16)前端相连。

7.根据权利要求6所述的一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，其特征在于，所述金属贴片为铝板或铜板。

8.根据权利要求1所述的一种应用于5G Sub 6GHz基站系统的差分双频双极化滤波天线，其特征在于，差分双频双极化滤波天线有源驻波小于1.5的阻抗带宽在3.23-3.67GHz为12.8％，在4.76-5.13GHz为7.5％；天线在低频段增益为8.95±0.39dBi，在高频段增益为9.97±0.33dBi。